Calidad de energía en sistemas y equipos eléctricos

1. Calidad de energía
en equipos y sistemas
eléctricos.
Ing. Deiner López
Líder de Subestaciones
Transequipos S.A
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2. ¿Qué es un problema de calidad de energía?
Se puede describir como problema de calidad de energía cualquier desviación de parámetros como tensión,
corriente, frecuencia, factor de potencia, etc. que desarrolle una mala operación en equipos de potencia o
equipos sensibles. Las consecuencias de una mala calidad de energía se ven asociados con incremento en
pérdidas de energía, impactos sobre la producción en un proceso, así como también impacto en la
confiablidad de los equipos.

3. Finalidad de un análisis de la calidad de Energía
• Caracterizar todos los parámetros del sistema eléctrico.
• Identificar las desviaciones.
• Corregir las desviaciones optimizar el sistema.
• Verificar nuevamente el estado de todos los parámetros eléctricos.
Objetivo:
Buscar el aumento de productividad - competitividad de las empresas
• Reduciendo las pérdidas de energía.
• Evitando los costos por sobredimensionamiento y tarifas.
• Evitando el envejecimiento prematuro de los equipos.
Indudablemente hay una relación entre la entre calidad de la energía eléctrica, la eficiencia y
la productividad.

4. Norma - Desviaciones
Parámetro Definición Normativa vigente Contenido.
FRECUENCIA DE RED
Variaciones Máximas
permitidas en frecuencia.
Resolución CREG 070/98
Reglamento de distribución de
energía eléctrica. Numeral 6, Calidad
de potencia suministrada.
La frecuencia nominal del SIN
Colombiano es de 60 Hz y su rango de
variación de operación está entre 59.8 y
60.2 Hz en condiciones Normales de
operación.
DESBALANCE DE
TENSIÓN Y CORRIENTE
Límites recomendados
para desbalances de
tensión en baja tensión y
corriente
IEEE std 1159 -1995
“Recommended Practice for
Monitoring Electric Power Quality”
El valor máximo recomendado para
desbalances de tensión en Baja Tensión
en sistemas trifásicos es 2%.
El valor recomendado para desbalances
de Corriente en Baja Tensión en
sistemas trifásicos es de 5 al 20%, para
una fase.
TENSIÓN
Límite de variación de la
tensión en estado estable
Norma ICONTEC 1340
Niveles nominales de tensión en
sistemas de distribución eléctrica
En condiciones normales de suministro
de energía eléctrica en los sistemas de
baja tensión, la máxima tensión no
deberá superar el 10% de la nominal; y
la tensión mínima no deberá superar el
-10% de la nominal.

5. Norma - Desviaciones
CORRIENTE
Límites de corriente
permisible en conductores
y pérdidas admisibles en
transformadores por
corrientes no sinusoidales.
NTC 2050 CÓDIGO ELÉCTRICO
PRIMERA ACTUALIZACIÓN
RETIE (Reglamento Técnico de Instalaciones
Eléctricas)
Última actualización resolución No. 18 – 1294
del 6 de Agosto de 2008
ANSI-IEEE std 446- 1995 Orange Book “
“Recommended Practice for emergency and
standby power systems for Industrial and
Commercial Applications”
ANSI/IEEE C57.110-1986
“Recommended Practice for Establishing
transformer Capability When Supplying Non
sinusoidal Load Currents”
Los valores de corrientes deben
estar por debajo de los valores
Nominales de la capacidad de los
conductores.
Parámetro Definición Normativa vigente Contenido.

6. Norma - Desviaciones
SISTEMA DE
PUESTA A TIERRA
Recomendaciones y
lineamientos para asegurar
la confiabilidad de un
sistema de puesta a tierra.
RETIE (Reglamento Técnico de Instalaciones
Eléctricas)
Resoluciones 90907 de 2013, 90795 de 2014
y 40492 de 2015 se corrigen y aclaran algunos
artículos del Anexo General del RETIE de la
Resolución 90708 de 2013.
IEEE std 1100 -1995.
“Recommended Practice for Powering and
Grounding Electronic Equipment”
Toda instalación eléctrica debe
disponer de un Sistema de Puesta a
Tierra de tal forma que cualquier
punto del interior o exterior,
normalmente accesible a personas
que puedan transitar o
permanecer allí, no estén
sometidos a tensiones de paso, de
contacto o transferidas, que
superen los umbrales de
soportabilidad del ser humano
cuando se presente una falla.
Parámetro Definición Normativa vigente Contenido.

7. Norma - Desviaciones
Parámetro Definición Normativa vigente Contenido.
DISTORCIÓN ARMONICA
(THD)
Distorsión armónica de las ondas de
Tensión.
Resolución CREG 070/98
Reglamento de distribución de energía
eléctrica. Numeral 6, Calidad de potencia
suministrada.
El límite máximo recomendado de
distorsión armónica en tensión para
niveles de tensión nominal menores a 69
kV es de 5%.
Distorsión armónica de las ondas de
corriente.
ANSI/IEEE std 519 - 2104
“Recommended Practice and
Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power Systems”
El límite máximo recomendado de
distorsión armónica en corriente para
niveles de tensión nominal menores a 69
kV es del 5%, al 20%, dependiendo de la
relación de corriente de corto circuito por
corriente de carga.
FACTOR DE
POTENCIA
Control al factor de potencia en el
servicio de energía eléctrica.
CREG 108 de 1997 Art. 25.
En la prestación del servicio público
domiciliario de energía eléctrica, se
controlará el factor de potencia de los
suscriptores o usuarios no residenciales, y
de los residenciales conectados a un nivel
de tensión superior al uno (1).
El factor de potencia inductiva (coseno
phi inductivo) de las instalaciones deberá
ser igual o superior a punto noventa
(0.90).

8. Fenómenos electromagnéticos
Los fenómenos electromagnéticos según la Norma IEEE Estándar 1159
• Variaciones en el valor RMS de la tensión o la corriente.
• Perturbaciones de carácter transitorio.
• Deformaciones en la forma de onda.

9. Transientes
• Es un cambio súbito y unidireccional (positivo o
negativo) en la condición de estado estable de la
tensión, la corriente o ambos y de frecuencia
diferente a la frecuencia del sistema de potencia.
• Son de moderada y elevada magnitud pero de corta
duración medida en microsegundos. Normalmente
sus tiempos de ascenso (1 a 10 μsec) y descenso (20 a
150 μsec) y por su contenido espectral.
Transitorio Impulsivo

10. Transientes
Este tipo se describe por su contenido espectral,
duración y magnitud, por su frecuencia se clasifican en
transitorios de frecuencia:
• Alta: Frecuencia mayor de 500 kHz y una duración
típica medida en microsegundos (o varios ciclos de la
frecuencia fundamental).
• Media: Frecuencia entre 5 y 500 kHz.
Transitorio Oscilatorio

11. Transientes
Baja: frecuencia inferior a 5 kHz, y una duración de 0,3 ms a 50 ms.
Se dan en niveles de subtransmisión, distribución, sistemas industriales, causado por diversos eventos
como por ejemplo energización de bancos de capacitores que hacen oscilar la tensión con una frecuencia
primaria entre 300 y 900 Hz
Transitorio Oscilatorio

12. Variaciones de Corta Duración
Instantáneas:
Momentáneas:
Temporales:

13. Variaciones de Corta Duración
Depresiones (Sag):
• Consisten en una reducción entre 0,1 y 0,9 p.u. en el valor R.M.S. de la tensión o corriente con una
duración de 0,5 ciclo a un minuto.
• Son normalmente asociadas a fallas del sistema, a la energización de grandes cargas, arranque de
motores de elevada potencia, energización de transformadores de potencia.
• Los efectos nocivos de las depresiones de tensión dependen de su duración y de su profundidad,
relacionados con la desconexión de equipos de cómputo, PLC y contactores entre otros dispositivos.
• Para mitigar los efectos de los sags, existen diferentes posibilidades, como estabilizar la señal de tensión
a través de acondicionadores de red, existen muchos tipos y tecnologías.

14. Variaciones de Corta Duración
Crestas (Swell):
• Una cresta (Swell) es un incremento del valor R.M.S. de la tensión o la corriente entre 1,1 y 1,8 p.u. con
una duración desde 0,5 ciclo a un minuto.
• Asociadas a fallas en el sistema, por ejemplo la elevación temporal de la tensión en las fases que no
fallaron durante un corto - línea a tierra.
• Causadas también por la desconexión de grandes cargas o la energización de grandes bancos de
capacitores.

15. Variaciones de Corta Duración
Interrupciones:
• Se da cuando la tensión o la corriente de la carga disminuyen a menos de 0,1 p.u. por un período de
tiempo que no excede un minuto.
• Pueden ser el resultado de fallas en el sistema, equipos averiados o por mal funcionamiento de los
sistemas de control.
• Las interrupciones se caracterizan por su duración ya que la magnitud de la tensión es siempre inferior
al 10% de su valor nominal.

16. Variaciones de Larga Duración
Son aquellas desviaciones del valor R.M.S. de la tensión que ocurren con una duración superior a un minuto.
• En Colombia los límites están definidos por la Resolución CREG 024 de 2005 entre +10% y –10% de la
tensión nominal.

17. Variaciones de Larga Duración
Sobretensión es el incremento de la tensión a un nivel superior al 110% del valor nominal por una duración
mayor de un minuto.
• Son usualmente el resultado de la desconexión de grandes cargas o a la conexión de bancos de
capacitores. Generalmente
• Cuando el sistema es muy débil para mantener la regulación de la tensión o cuando el control de la
tensión es inadecuado.
• Una mala selección del TAP en los transformadores también ocasiona sobretensiones en el sistema.

18. Variaciones de Larga Duración
• Se entiende por baja tensión la reducción en el valor R.M.S. de la tensión a menos del 90% del valor
nominal por una duración mayor de un minuto.
• La conexión de una carga o la desconexión de un banco de capacitores pueden causar una baja tensión
hasta que los equipos de regulación actúen correctamente para restablecerlo.
• Los circuitos sobrecargados pueden producir baja tensión en los terminales de la carga.
• Variaciones de la carga u operaciones de conexión y desconexión.

19. Variaciones de Larga Duración
Se considera una interrupción sostenida cuando la ausencia de tensión se manifiesta por un período
superior a un minuto. Normalmente son permanentes y requieren la intervención de un operario para
poner en marcha el sistema.

20. Variaciones de Larga Duración
Desbalance de tensión ocurre cuando las tensiones entre las tres líneas no son iguales.
• Las fuentes más importantes del desequilibrio de tensiones son las cargas monofásicas conectadas en
circuitos trifásicos, transformadores conectados en delta abierto, fallas de aislamiento en conductores
no detectadas.
• Se recomienda que el desequilibrio de tensiones sea menor al 2%.

21. Distorsión de la Forma de Onda
La distorsión de la forma de onda es una desviación estable del comportamiento idealmente sinusoidal de
la tensión o la corriente a la frecuencia fundamental del sistema de potencia. Se caracteriza,
principalmente, por el contenido espectral de la desviación.
Existen cinco formas primarias de distorsión de la forma de onda:
• Corrimiento DC.
• Armónicos.
• Interarmónicos.
• Hendiduras.
• Ruido.

22. Distorsión de la Forma de Onda
Corrimiento DC
La presencia de una tensión o corriente directa (DC) en un sistema de corriente alterna (AC) de potencia se
denomina corrimiento DC (DC offset).
• Esto puede ocurrir debido al efecto de la rectificación de media onda, extensores de vida o
controladores de luces incandescentes.
• La corriente directa en redes de corriente alterna produce efectos perjudiciales al polarizar los núcleos
de los transformadores de forma que se saturen en operación normal causando el calentamiento y la
pérdida de vida útil en estos equipos.
• La corriente directa es una causa potencial del aumento de la corrosión en los electrodos de puesta a
tierra y en otros conductores y conectores.

23. Distorsión de la Forma de Onda
Armónicos
• Tensiones o corrientes sinusoidales cuya frecuencia es un múltiplo integral de la frecuencia
fundamental del sistema: 60 Hz para Colombia
• La distorsión armónica se origina, fundamentalmente, por la característica no lineal de las cargas en los
sistemas de potencia.
• El nivel de distorsión armónica se describe por el espectro total armónico mediante las magnitudes y el
ángulo de fase de cada componente individual.
• Este criterio se denomina distorsión total armónica (THD).

24. Distorsión de la Forma de Onda

25. Distorsión de la Forma de Onda
Consecuencia de los Armónicos
• Vibraciones y ruido acústico en transformadores, reactores y máquinas rotativas.
• Dependiendo de su secuencia: Positiva - Negativa – Cero.
• Interferencias en circuitos de control y comunicaciones.
• Provocan la disminución del factor de potencia.
• Están asociados con el calentamiento de condensadores.
• Ferroresonancia.
• Provocan calentamiento adicional debido al incremento de las pérdidas en transformadores y
máquinas. Secuencia cero afectan a transformadores.
• Calentamiento y de las pérdidas en los cables.
• Causan sobrecargas en transformadores, máquinas y cables de los sistemas eléctricos.
• Los armónicos de tensión pueden provocar disturbios en los sistemas.
• electrónicos. Por ejemplo, falsos disparos en relés, interferencia sobre controladores de motores.

26. Distorsión de la Forma de Onda
Mitigación de Armónicos
• Monitoreo constante de los sistemas para detectar la presencia de armónicos no deseados
identificando las fuentes de los mismos.
• Implementación de filtros que ataquen los armónicos en su totalidad - armónicos individuales.
• Dimensionamiento los transformadores con K superior, dimensionamiento de máquinas y
dimensionamiento de conductores teniendo en cuenta la presencia de armónicos.

27. Distorsión de la Forma de Onda
Variaciones de frecuencia en el sistema de potencia
• La variación de frecuencia es la desviación de la frecuencia fundamental del sistema de su valor
nominal especificado (60 Hz en el caso de Colombia).
• Relacionada con la velocidad de rotación de los generadores que componen el sistema. Normalmente
existen ligeras variaciones de frecuencia debido a la fluctuación del balance entre la generación y la
demanda de potencia de un sistema.

28. Otras Valoraciones
Potencias Activa – Reactiva - Aparente
• Cargabilidad de transformador, comportamiento del sistema
Cos φ - Factor de Potencia.
El Cosφ no es más que el coseno del ángulo φ que forman la potencia activa (P) y la aparente (S) en el
triángulo de potencias tradicional.
En un sistema eléctrico de corriente alterna con ondas senoidales perfectas la descomposición de la
potencia aparente en la suma de dos vectores da como resultados un triángulo rectángulo, en el que las
componentes se encuentran en los ejes de los números reales y los imaginarios:
Aplicando triángulo de Pitágoras y relaciones trigonométricas, obtenemos:
El coseno solo depende de las potencias activa (P) y reactiva (Q).

29. Otras Valoraciones
El Factor de Potencia (FP) es la relación entre las Potencias Activa (P) y Aparente (S). Si la onda de
corriente alterna es perfectamente senoidal, FP y Cosφ coinciden.
Si la onda no es perfecta S no estaría únicamente compuesta por P y Q, sino que aparecería una tercera
componente suma de todas las potencias que genera la distorsión. Estas corrientes armónicas, junto con la
tensión a la que está sometido el conductor, da como resultado una potencia (D).
En el prisma completo veremos dos ángulos φ, γ: Ahora el ángulo importante no es φ ya que no tiene en
cuenta a D, sino γ.
Atendiendo a la definición de Factor de Potencia, como la relación entre P y S obtenemos la siguiente
expresión: